Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ 

ЦЕПИ И СИГНАЛЫ 

КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННЫЙ КУРС

В.И. КАГАНОВ

4-е издание, переработанное и дополненное

Допущено Министерством образования и науки 

Российской Федерации в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению подготовки «Радиотехника»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 621.37(075.8)
ББК 32.884.1я73
 
К12

Р е ц е н з е н т ы:

Бугаев А.С., профессор, заведующий кафедрой Московского физи
ко-технического института, академик Российской академии наук;

Карташев В.Г., доктор технических наук, профессор, заведующий 

кафедрой теоретических основ радиотехники Московского энергетического института;

Нефедов Е.И., доктор физико-математических наук, профессор, 

главный научный сотрудник Института радиотехники и электроники 
Российской академии наук;

Сергиенко А.Б., кандидат технических наук, доцент кафедры теоре
тических основ радиотехники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета

Каганов В.И.

К12  
Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс : 

учеб. пособие / В.И. Каганов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2020. — 498 с. — (Высшее образование: Магистратура). — 
www.dx.doi.org/10.12737/textbook_5a86b8b1ee58d8.44881391.

ISBN 978-5-00091-447-2 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-012996-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105760-8 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии изложен материал по большинству разделов ма
гистерской программы одноименного курса. Рассматриваются основы теории по передаче и приему сообщений с помощью радиосигналов, 
по спектральной теории сигналов и их генерированию, усилению, преобразованию, модуляции, детектированию, демодуляции и обработке. 
Излагается теория радиоэлектронных линейных, нелинейных и параметрических цепей аналогового и цифрового типа. Приведено 100 программ 
на основе универсального математического пакета программ Mathcad 
по большинству разделов дисциплины, позволяющих с помощью компьютера анализировать и рассчитывать радиотехнические цепи и сигналы.

Учебное пособие соответствует Федеральному государственному обра
зовательному стандарту высшего образования последнего поколения.

Рекомендовано для магистров вузов, обучающихся по направлению 

подготовки «Радиотехника». Книга может быть полезна аспирантам и инженерно-техническим работникам.

УДК 621.37(075.8)

ББК 32.884.1я73

ISBN 978-5-00091-447-2 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-012996-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105760-8 (ИНФРА-М, online)

© Каганов В.И., 2014
© Каганов В.И., 2018, 

с изменениями

© ФОРУМ, 2018

Предисловие

«Радиотехнические цепи и сигналы» — базовая учебная дисциплина в системе подготовки дипломированных специалистов 
по направлению «Радиотехника». Данный курс опирается и тесно 
взаимодействует с такими дисциплинами, как «Физика», «Информатика», «Основы теории цепей», «Электроника и микроэлектроника», «Электродинамика и распространение радиоволн», и со 
всеми математическими дисциплинами.
Содержанием самой дисциплины «Радиотехнические цепи 
и сигналы» являются основополагающие вопросы радиотехники, 
связанные с генерированием, усилением, модуляцией, детектированием, демодуляцией, преобразованием и обработкой сигналов 
и анализом процессов, протекающих в радиоэлектронных цепях 
разнообразного вида и назначения.
В настоящее время компьютерное проектирование является доминирующим при разработке различных радиотехнических устройств. С помощью специально разработанных крупных 
компьютерных программ можно с высокой точностью проектировать обширный класс высокочастотных (ВЧ), сверхвысокочастотных (СВЧ) и цифровых радиотехнических устройств самого 
разного назначения.
Чтобы в полной мере овладеть объемным материалом компьютерного проектирования радиотехнических устройств, необходимо 
иметь глубокие знания теоретических основ радиотехники и уметь 
самостоятельно писать программы по проектированию и анализу относительно простых цепей, составляющих базовую основу 
крупных радиотехнических устройств.
С учетом сказанного цель настоящего учебного пособия состоит 
в следующем:
• в изложении теоретических основ радиотехники по передаче 
и приему сообщений с помощью радиосигналов, анализу и синтезу 
радиотехнических цепей — базовой основы радиоэлектронных 
устройств;
• рассмотрении современных направлений радиотехники;
• тесном взаимодействии теоретического материала с компьютерными вычислениями с помощью математического пакета 
программ Mathcad;
• составлении компьютерных программ первого уровня сложности по проектированию и анализу основополагающих радиотехнических цепей.

Особенности предлагаемого учебного пособия:
• изложение помимо «классических», фундаментальных основ 
радиотехники новых направлений ее развития, результаты которых 
используются в современных радиотехнических системах;
• исследование вопросов всех разделов курса «Радиотехнические цепи и сигналы» с помощью компьютера, что позволяет 
глубоко понять и усвоить физическую сущность процессов, протекающих в радиотехнических устройствах, а также проблем нелинейной радиотехники и теории сигналов, недоступных аналитическим методам;
• использование методики изложения материала, основанной 
на тесном взаимодействии теоретического материала с компьютерными программами, что способствует самостоятельной работе 
студентов при изучении дисциплины и помогает овладеть современными вычислительными приемами;
• представление в общей сложности около 100 программ 
в среде Mathcad по большинству разделов курса «Радиотехнические 
цепи и сигналы», с помощью которых осуществляются моделирование, расчет, анализ, оптимизация и синтез цепей и сигналов, что 
позволяет глубже усвоить теоретические основы радиотехники.
Учебное пособие соответствует Федеральному государственному 
образовательному стандарту высшего образования по направлению 
«Радиотехника».
Материал книги основан на лекциях, читаемых автором в Московском технологическом университете — Московском институте 
радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).
Автор искренне благодарит за полезные замечания рецензентов 
первого издания настоящей книги: академика РАН А.Н. Бугаева, 
профессора В.Г. Карташева, профессора Е.И. Нефёдова, доцента 
А.Б. Сергиенко.
Автор признателен преподавателям технических университетов, 
использующих в учебном процессе первые три издания настоящей 
книги, замечания которых по ее содержанию учтены автором в настоящей четвертой редакции учебного пособия.

Введение

Радиотехника — это наука о методах и средствах передачи сообщений на расстояние и их приема посредством электромагнитных 
волн, распространяющихся в свободном пространстве. Два исследователя стоят у ее истоков: русский ученый Александр Степанович 
Попов (1859–1906) и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони (1874–1937). Но кто же из них первым передал на расстояние 
информацию, как было принято говорить, с помощью беспроволочного телеграфа? Прежде чем ответить на этот вопрос, кратко 
скажем о предшественниках двух великих изобретателей.
В 1873 г. английский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал работу «Трактат по электричеству и магнетизму». Как 
следствие, из составленных им уравнений следовал вывод о возможности распространения электромагнитных волн в свободном 
пространстве со скоростью света. Но полученному теоретическим 
путем открытию мало кто поверил, даже известные в ту пору физики.
Однако спустя 15 лет немецкий ученый Генрих Рудольф Герц 
экспериментальным путем доказал справедливость теории Максвелла. Сущность опытов Герца состояла в следующем. К двум 
латунным стержням с малым зазором между ними подключалась 
индукционная катушка, создающая высокое напряжение. Когда 
это напряжение превышало напряжение пробоя, в зазоре проскакивала искра и происходило возбуждение электромагнитных колебаний. Излученные колебания регистрировались на расстоянии 
в несколько десятков метров, что неопровержимо доказывало распространение электромагнитных волн. Герцем была получена минимальная длина волны λ = 60 см. В современном представлении 
осциллятор Герца есть открытый колебательный контур, в котором 
при его возбуждении искровым способом возникают затухающие 
колебания, излучаемые в пространство.
От опытов Герца, опубликовавшего результаты своих экспериментальных исследований, отталкивались как Попов, так и Маркони. 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Русского 
физико-химического общества А.С. Попов впервые продемонстрировал свой чувствительный радиоприемник, названный сначала 
грозоотметчиком, принимавший колебания, излучаемые видоизмененным осциллятором Герца. Этот день в нашей стране отмечается 
как день радио. Отчет о знаменательном заседании с описанием 

доклада и эксперимента А.С. Попова был опубликован в журнале 
общества в августе 1895 г. и январе 1896 г.
24 марта 1896 г. на заседании того же общества А.С. Попов 
помимо радиоприемника продемонстрировал созданный им искровой радиопередатчик, передав из одного здания в другое с помощью азбуки Морзе первую в мире радиотелеграмму. Текст ее был 
краток: «Генрих Герц». Этой телеграммой Александр Степанович 
отдал дань уважения своему предшественнику. В 1897 г. при испытаниях на кораблях дальность связи с помощью аппаратов Попова 
достигла 5 км, а к 1900 г. она возросла до 47 км и была использована во время спасения севшего на камни корабля в Балтийском 
море.
Другой изобретатель радио — Маркони — также приступил 
к своим экспериментальным исследованиям, отталкиваясь 
от опытов Герца. Вот что говорил о себе итальянский изобретатель 
в зрелом возрасте: «Я никогда не изучал физики и электротехники 
систематически, хотя еще мальчиком я очень интересовался этими 
вопросами. Однако я прослушал полный курс лекций по физике... 
и был достаточно хорошо знаком с публикациями того времени, 
относящимся к научным вопросам, включая также работы Герца, 
Бранли и Риги».
В 1896 г. Маркони из Италии переселяется в Великобританию, 
где его изобретением заинтересовались Почтовое ведомство и Адмиралтейство. В 1896 г. Маркони подал заявку на изобретение, 
связанное с передачей импульсов, а в июле 1897 г. получил на него 
первый английский патент. В том же году он создал крупное акционерное общество «Маркони и К°», сумев привлечь к своему открытию значительные финансовые средства. Маркони в Великобритании зарекомендовал себя не только великим изобретателем, 
но и крупным предпринимателем, сумевшим быстро и эффективно 
внедрить в промышленное производство созданные им радиотелеграфные аппараты, приносившие его компании хорошую прибыль. 
В 1901 г. с помощью аппаратов Маркони была установлена радиосвязь через Атлантический океан с Америкой, а в 1918 г. — с Австралией. В 1909 г. за изобретение радио Маркони была присуждена Нобелевская премия по физике. За три года до этого события 
скончался Попов, а поскольку Нобелевская премия присуждается 
только при жизни, кандидатура последнего не рассматривалась.
Внимательно изучая различные источники, в том числе и такой 
авторитетный, как «Британская энциклопедия», можно сделать 
следующий вывод: первым публично продемонстрировал радио 
и сделал сообщение о своем изобретении А.С. Попов. А вот в деле 

патентования и продвижения в промышленное производство созданных им радиотелеграфных аппаратов преуспел Маркони.
В России громадный вклад в развитие радиотехники и электроники внесли М.А. Бонч-Бруевич, М.В. Шулейкин, В.П. Вологдин, 
Б.А. Введенский, Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, А.И. Берг, 
А.Л. Минц, Ю.Б. Кобзарев, А.М. Прохоров, Н.Г. Басов, В.А. Котельников, Ж.И. Алферов и многие другие ученые и инженеры.
Кратко рассмотрим, что представляет собой современная радиотехника как сформировавшаяся научно-техническая дисциплина 
из числа высоких технологий.
В техническом плане радиотехника объединяет разнообразные 
устройства, предназначенные для передачи и приема информации 
в рамках определенной системы посредством электромагнитных 
волн, распространяющихся в свободном пространстве. К числу 
таких систем относятся:
• системы звукового и телевизионного радиовещания;
• системы радиосвязи с помощью наземных средств, в частности сотовой радиосвязи;
• глобальные космические системы радиосвязи, телевизионного радиовещания и радионавигации;
• системы радиоуправления разнообразными объектами 
и их радиотелеметрического контроля;
• радиолокационные системы, системы дальнего и ближнего 
радиуса действия и др.
В технологическом плане радиотехнические устройства представляют собой сборки из микросхем, транзисторов, диодов, конденсаторов, электровакуумных приборов и множества иных элементов, соединенных между собой согласно определенной электрической схеме. 
Наиболее совершенные конструкции полностью состоят из полупроводниковых гибридных и интегральных микросхем. Микроэлектроника, акустоэлектроника и оптоэлектроника позволили перейти 
к принципиально новому поколению радиоэлектронных устройств, 
обеспечили возможность формирования и обработки громадных 
объемов информации с высокой скоростью в цифровой форме.
В научном плане радиотехника занимается исследованием распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, 
расчетом и оптимизацией радиотехнических устройств и систем 
в целом, анализом протекающих в них процессов, т.е. всем комплексом вопросов, связанных с передачей и приемом информации 
по радиоканалу.
В математическом плане радиотехника опирается на такие разделы математики, как линейные и нелинейные дифференциальные 

уравнения, матричная алгебра, нелинейное программирование, 
теория вероятностей и случайных процессов, математический 
анализ и др. Причем анализ и решение большинства сложных задач 
проводятся с использованием компьютера с помощью специальных 
программ.
Первый вопрос, который следует внимательно рассмотреть, 
приступая к изучению дисциплины «Радиотехнические цепи и сигналы», состоит в определении понятия «сообщение», вытекающего, 
в свою очередь, из более обширной категории — «информация». Последний термин происходит от латинского слова informatio, означающего изложение, разъяснение.
Второй вопрос, требующий детального изучения, связан с понятием «сигнал», с помощью которого происходит перенос сообщения от источника к получателю.
Третий фундаментальный вопрос относится к распространению радиоволн в свободном пространстве — околоземном и космическом. 
В зависимости от частоты радиоволны распространяются в свободном 
пространстве по-разному: одни отражаются от ионосферы, а другие 
пронизывают ее; в одних случаях возможна только связь прямым 
лучом, в других — «искривленным», огибающим поверхность Земли. 
Проблема распространения радиоволн изучается в специальной дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн».
Четвертый вопрос имеет прямое отношение к радиотехническим 
устройствам, как на передающем, так и приемном конце канала 
радиосвязи. Все эти устройства строятся как бы из «кубиков» — 
сопротивлений, конденсаторов, транзисторов, микросхем и т.д., 
составляющих элементную базу и соединяемых по определенным 
правилам в цепи.
Кратко можно сказать так: радиотехника — это наука, опирающаяся на фундаментальные понятия «сообщение», «сигнал», «цепь» 
и «распространение радиоволн».
Первые три вопроса изучаются в настоящем учебном пособии.
Во всех главах рассматриваются физическое содержание исследуемых проблем, вопросы математического моделирования сигналов и цепей, анализ и решение разнообразных задач с помощью 
компьютера.
Следует особо подчеркнуть роль компьютера, внесшего радикальные изменения в изучение многих технических дисциплин, 
в том числе и радиотехники. Эти изменения позволяют реализовать 
следующие преимущества:
• во-первых, освободить исследователя от рутинных вычислений при существенном возрастании их точности;

• во-вторых, существенно расширить область решаемых задач, 
особенно из числа нелинейных и повышенной сложности;
• в-третьих, предоставить возможность более глубокого 
изучения физических процессов, протекающих в цепях, устройствах и системах на моделях, близких к их реальным прототипам.
Ниже на конкретных примерах с использованием пакета математических программ Mathcad раскрыты перечисленные преимущества. Выбор данного языка программирования вызван тем, что 
он позволяет использовать принятый в математике способ записи 
функций и выражений и получать результаты компьютерных вычислений в виде таблиц и графиков. Mathcad включает множество 
операторов, встроенных функций и алгоритмов решения разнообразных математических задач, которые прямо приложимы ко 
всему комплексу вопросов, рассматриваемых в рамках научно-технической дисциплины «Радиотехника». (Сказанное, естественно, 
относится и к другим техническим дисциплинам.)
В общей сложности в учебном пособии приведено 100 разнообразных программ, созданных на основе языка Mathcad, связанных 
с большинством разделов курса «Радиотехнические цепи и сигналы». С их помощью осуществляются моделирование, расчет, 
анализ, оптимизация и синтез цепей и сигналов, что позволяет 
глубже усвоить теоретические основы радиотехники.
В пособии рассматриваются следующие вопросы радиотехники:
• способы передачи и приема сообщений с помощью радиосигналов в присутствии мешающих сигналов;
• структура систем радиосвязи;
• основы спектральной теории детерминированных и случайных сигналов;
• назначение, параметры и характеристики линейных цепей 
сосредоточенного типа, в том числе колебательных контуров 
и фильтров;
• назначение, параметры и характеристики нелинейных 
цепей;
• прохождение детерминированных и случайных сигналов 
через линейные и нелинейные цепи;
• анализ основных способов генерирования, усиления, преобразования, модуляции, детектирования и демодуляции сигналов;
• основы теории оптимальной обработки аналоговых и цифровых сигналов;
• структура, анализ и синтез цифровых фильтров;
• анализ цепей с переменными параметрами.

К современным вопросам радиотехники, рассмотренным 
в книге с применением компьютерных программ, относятся:
• множественный (многостанционный) доступ к каналу радиосвязи;
• способы частотной и фазовой модуляции при передаче цифровых сигналов;
• шумоподобные сигналы, их структура, формирование и применение;
• прохождение сложных сигналов через линейные и нелинейные цепи;
• синтез фильтров и согласующих цепей с помощью поисковых методов теории нелинейного программирования;
• спектральный метод анализа нелинейных динамических 
цепей при многочастотных сигналах;
• анализ существенно нелинейных цепей, в том числе автогенераторов и систем фазовой автоподстройки частоты;
• корреляционный способ анализа радиолокационных сигналов;
• оптимальная обработка сложных сигналов;
• обработка многочастотного сигнала на основании преобразования Гильберта;
• синтез цифрового фильтра;
• введение в вейвлет-преобразования сигналов.
В четвертое издание книги в освещение многих из перечисленным вопросов внесены новые сведения и уточнения.